The Planetary Society of Japan

惑星ミッションの中でも、木星大気の中でのダイレクト・サンプリングは最も貴重な成果が得られるミッションであるが、反面、最も困難なミッションの一つに数えられる。何故なら、木星に接近すると、探査機に搭載された電子機器が通常のタイプならば、オーバーヒートしてしまうほど激しい熱を放出している放射線帯のような極めて危険な状況に遭遇したり、太陽系で最も危険な大気層に突入してその中で生き抜かなければならないからでもある。1995年12月、探査機ガリレオは、将にこの危険な賭けを敢行した。
 

何故、木星に探査機を送るのか
ガリレオ・ミッションの目的は、太陽系すべての惑星の起源と進化の解明の糸口となる材料を収集することである。木星の質量は、太陽系のすべての惑星を合わせた質量の2倍以上あり、一千個以上の地球がすっぽりと入ってしまうほど大きく、軽い元素を相当失ってしまった小さい地球型惑星とは異なり、その大きさのおかげで約46億年前の形成時の原始物質を保持している。また木星は、彗星のような小天体との衝突によって生じた小天体の化学特性も合わせ持っている。このように木星は太陽系の活動の過程を知る上で重要な糸口を与えてくれる。

惑星の形成と進化のモデルを構築するために、我々は主要な微量元素（または痕跡元素）の組成と同位体に関するデータを得る必要があった。地球上と探査機の測定で、木星のヘリウムの存在比（木星が含有しているすべての原子の数に対するヘリウム原子の数の混合比）は、太陽よりも低いが、炭素、窒素、硫黄および酸素の存在比は太陽よりも高いものと予測されていた。ネオン、クリプトンおよびキセノンのような希ガスの存在比はわからなかった。

また1バール（地球の海面にかかる圧力）以上の圧力下では、木星大気の構造を測定する術もなく、大気の最上層の気温と圧力の不正確なデータがいくつかあるだけであった。従って、測定は探査機による以外他に手立てはなかった。我々が木星大気の構造について知っていたことは、おそらく三層の雲の層で構成されているだろうということぐらいであった。我々は二つの下層の雲は見ることはできなかったが、それ等はスペクトルのデータやシューメーカー・レビー第9彗星が木星に衝突した際の観測により、それぞれ水硫化アンモニウムと水でできているであろうと推測していた。

我々は、木星と他の巨大外惑星（土星、天王星および海王星）の気象について大きな疑問を持っていた。特に重要なのは、四大ガス状巨星の東から西に吹く帯状の風で生ずる縞模様は、大気層の奥深くまで広がっていくのか、それとも雲の表層レベルで止まるのかどちらなのかということであった。この縞模様は風のエネルギー源であり、同時にそれを引き起こすメカニズムでななかろうかと思われたが、実際には、探査機の測定でしか解明できない疑問であった。
 

探査機ガリレオ
探査機ガリレオは、木星の大気に進入するエントリー・プローブ（小型探査機）と軌道を回るオービター（軌道周回機）の二つで構成されていた。1989年10月18日、スペースシャトル・アトランティスに搭載されて打ち上げられた。

金星の引力を利用して加速する金星スイングバイを1回と地球の引力を利用して加速する地球スイングバイを2回行った後、1995年7月12日にエントリー・プローブとオービターは切り離された。この時点で、プローブとオービターは木星到着まで、距離にして5000マイル、日数にして5ヵ月の彼方にあった。

プローブとオービターが一旦切り離されてしまうと、地上からプローブと交信はできなくなるし、その飛行軌道を変更することもできない。1995年12月7日、プローブとオービターは木星に到着した。オービターは、1年10ヵ月にわたる木星系を巡る旅に出発し、プローブは太平洋標準時間の午後2時2分、木星の大気に進入していった。

プローブは、秒速 47.4km で木星大気に突入した。この速度は強力なライフル弾より約50倍の速さである。プローブは木星大気の平面に対して8.5度の傾斜角で突入しなければならなかった。誤って進入角度が1.5度浅くなると、プローブは滑って大気の外に飛び出してしまったであろうし、1.5度角深くなると、プローブは破壊されてしまったであろう。

大気進入後2分以内に、プローブは秒速 0.5km に減速した。最低速度で飛行中の 339kg のプローブが受ける重力は、地球上の228（228重力）倍で、その重量はからのDC－10ジャンボ・ジェット機と同じである。高速進入で生ずるプローブに対する大気の衝撃波は、プローブの先端の約1.5インチ前方になるように設定された。

衝撃波層の中の温度は、太陽の表面の約2.5倍の1万5000℃に達した。炭素フェノールの熱シールドを付けたプローブは、この極端な高温を切り抜けたが、熱シールドの約2／3は、降下中の熱との摩擦で溶けてしまった。
 

画像は、木星大赤斑の色。
 

プローブが発見したこと
プローブが発見したことは、 先ず、木星の主要な構成物質である水素やヘリウム（宇宙で最も豊富な二大元素である）は、太陽形成時とほぼ同じ比率であったこと。木星の質量の 75％ は水素で 24％ がヘリウムであったこと（太陽が形成された時のへリウムの質量は約 28％ であった）。

これは以前の数値とはかなり違っている。1979年、探査機ボイジャーが木星を接近通過した時のヘリウムの測定値は 18％ で、ガリレオの数値の 24％ を大幅に下回っていた。このようにヘリウムの数値の遠隔測定は難しく、大気中で「直に」測定することの優位性が明確に証明された。土星の質量に占めるヘリウムの比率は木星の約1／3であり、木星と土星の進化の過程が異なっていたことを物語っている。

水素とヘリウム以外の物質の量はほんの僅かであるが、木星の形成とその後の過程で木星が受けた影響をを解明する重要な糸口となる。このような物質の存在比と太陽が含有する同じ物質の存在比とを比較することにより、炭素や酸素のようなより重い元素や、ネオンやキセノンのような稀ガス及び木星の進化を追跡し、内惑星（水星、金星、地球および火星）と比較することができる。

木星においては、水素に対する炭素と硫黄の存在比が太陽より約2～3係数が大きいことをガリレオは発見した（窒素の存在比については未だ確定していない。）。酸素（木星は太陽よりも遥かに冷たいために液化している）の量は少なくとも、プローブが進入した大気の地点では少ないようである。これは、我々の予測とは非常に異なっている。我々は、プローブが厚い水の氷でできた雲に遭遇するだろうと考えていた。そして木星の水は地球上と同じように、重要な木星大気の構成物質であると考えていた。しかし驚いたことには、木星の大気は乾燥していたのである。

木星の炭素や他の重い元素の存在比が太陽に比べて高いことは、彗星や他の小天体が木星に衝突した結果、これ等の物質が大量に蓄積されたことを示している。しかし、小天体の衝突で、なぜ水（そして酸素）が蓄積されなかったのか理解できない。地球の場合は、このような衝突が水をもたらすのに大きな役割を果した。水は海洋に、酸素は大気中の気体の中に存在している。衝突小天体が木星に対して果した役割を理解することは、ガリレオ・ミッションの重要なテーマであり、情報の結果によっては、衝突小天体の役割について新たな考え方をしなければならないかもしれない。

プローブは、炭素、水素および他の元素を含む有機化合物の調査も行った。勿論、これ等の有機化合物の中には、地球上の生物学的過程で重要な役割を演じているものもある。しかし、プローブが発見した有機化合物の量は極端に少なかった。つまり、木星の有機化合物の含有量は少ないことは、生物学的過程が生じた可能性は非常に低いこと意味する。
 

風と気象

画像の上半分は赤道の北側に当たり、風は西方向（画面の左側）に向かって吹く。下半分は赤道地域で、速い風が東に向かって吹く。
 

木星の風の測定もガリレオ・ミッションの主な目的の一つであった。以前の探査機と地球上の天体望遠鏡で撮られた画像では、雲のレベルでの風は、概ね東から西の方向に吹き、風速は秒速100mに達することはわかっていた。ハッブル宇宙望遠鏡の最近の観測により、ガリレオが進入した緯度で観測された細いジェット気流は、木星の自転と同じ方向に秒速150mまたは170mで流れていることが示唆された。このジェット気流が、木星の雲の下の相当深い部分まで流れ込んでいるのかどうかはわからない。

プローブは秒速180m以上の風に遭遇し、風が見える雲の下の深くまで延びていることを明らかにした。参考までに申し添えるが、トルネードは通常時速300～500km、ハリケーンの今までの最速記録は時速123kmである。木星の風がどのようにして発生するのか正確にはわからないが、非常に熱い内部から出てくるエネルギーが風の源であることを示す証拠をプローブはもたらしてくれた。これは、すべてを太陽からのエネルギーで賄っている地球の気象とは著しく異なっている。

プローブは、木星の気温と圧力との関係についても測定した。深さが増すと、気温も気圧も上昇する。プローブは、地球の海面に加わる圧力の約24倍（24バール）の地点に達っするまで信号を送ってきた。その地点の気温は150℃であった。プローブが測定し始めた地点の圧力は約0.4バールで、気温は冷たく-140℃であった。上層大気では、プローブの減速をベースに速度計が大気の密度が決め、これから気温と圧力を算出する。圧力1バールの上空約300km以上の大気では、気温は予想より数百度も高く、900℃を超える高さに達した。

小型望遠鏡でも木星にかかる雲は見える。最上層の雲は、アンモニアの結晶に特徴的に木星の雲を彩る他の幾つかの化合物の混合体である。プローブの観測で、水硫化アンモニウムの結晶で出来た中間の雲の層と水の氷滴で出来た一番下の雲の層を見ることが出来ると我々は期待していた。

しかし、地球の観測で分かったことだが、プローブは木星の比較的明るい領域に入ってしまった。つまり、最上層の雲の底部に進入し測定を始めたのだ。プローブは降下しながら、太陽光の減少の度合いを測定して木星の雲はほとんどアンモニアの結晶であることを発見した。プローブはまた、中間の雲の層を観測し、雲はおそらく水硫化アンモニウムの結晶であろうことを示唆した。この雲は非常に薄く透明度は約1マイルだった。我々の予測に反して、この雲の下には厚い水滴の雲はなかった。これは、プローブの進入地点における大気中の水蒸気が少ないという事実と符合する。

１９７９年、探査機ボイジャー2号は、木星の夜の面を撮った際に雷光を観測した。雷光のほとんどは、木星の北緯45～50度の領域近くで起こった。プローブには、周囲で起こる雷光を撮る光学センサーが取り付けられていたが、何も写らなかった。

プローブは、彼方で雷光が発する無線信号（轟音）を捉えた。雷光の1単位面積当たりの周波数は、地球上の雷光より短いようである。しかし、雷光のエネルギーは、地球上の雷光の約10倍もある。プローブは木星の大気に進入するまでに、磁場に捉えられている高エネルギーの荷電粒子を測定した。この放射線帯は、地球上空のヴァン・アレン帯に似ている。木星の半径の4％に相当する雲の天辺の領域で、プローブはヘリウムと重いイオンからなる放射線帯を発見した。
 

木星の稲妻：（当時のNASAサイトの原文） In the above photograph, optical flashes from Jupiter were photographed recently by the Galileo orbiter. Each of the circled dots indicates lightning. The numbers label lines of latitude. The size of the largest spot is about 500 kilometers across and might be high clouds illuminated by several bright lightning strokes.
 

プローブの測定データは、すべて地球に送られてきたが、データが木星と太陽系について何を語るのか、それを理解するには暫く、おそらく数年かかると思われる。多くの新しい疑問が現れてきている。勿論、これこそ惑星探査の探査たる所以である。新しい情報が古い考えを変え、そして解明すべき新しい疑問を提起する。このようにして、我々の太陽系全体に関する理解は増していくのである。

オービターは、1997年12月までのミッションで、木星、四大衛星（ガリレオ衛星）および木星の磁場について情報を送ってくるだろう。1996年6月21日、オービターは太陽系最大の衛星ガニメデに遭遇した。7月半ばには、初めてガニメデの素晴らしい表面地形の画像が公開された。今後の探査からどんなに驚くべき発見が飛び出すのか、それは「神のみぞ知る」である。
 

参考データ：ガリレオ・プローブの測定経過
ガリレオ・プローブの進入から信号が途絶えるまでの時間は、61.4秒であった。進入中は、速度計が プローブの減速の度合いを測定し、大気の密度及び最後に圧力と気温が計測された。減速スイッチと指示系統の接続不良のため、プローブは大気の測定を予定より53秒遅れて開始した。
 

木星の組成
ガリレオ・ミッションの前までは、木星の中心核は、内惑星の組成のほとんどを占めるシリコンや鉄のような重い元素でできているものと考えられていた。中心核を囲んでいるのは、水素がとてつもない圧力で圧縮されて、金属の振る舞いをする液体金属水素である。この中心核は木星の半径のほぼ3/4まで広がっている。液体金属水素は通電性がある上、その振る舞いで木星の磁場を作り出す。

液体金属水素の上には、液体水素と液体ヘリウムがあり、これ等の液体は木星の外部近くの領域では気体となる。ガリレオ・プローブが進入した距離はほんの僅かではあったが、判明した事実は木星全体の解明につながる可能性を秘めている。
 

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